一種新的蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2291一種新的蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理方案設(shè)計(jì)案例 1225671.1混合混能系統(tǒng)控制策略 1109921.1.1直流母線電壓控制策略 197491.1.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配 3317681.1.3雙向DC/DC變換器控制策略 4322371.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)限值管理策略 677481.2.1傳統(tǒng)限值管理策略 6305691.2.2基于超級(jí)電容SOC分區(qū)限值管理策略 7313391.3小結(jié) 9整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于能量的釋放和吸收沒有一個(gè)固定的規(guī)律，主要是因?yàn)楣夥l(fā)電受外部環(huán)境因素的影響較大，而且具有多變和間斷的缺陷，所以為了有效合理調(diào)度和管理改善混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，亟待找到一種合適的能量管理策略。在微電網(wǎng)正常工作狀態(tài)下，儲(chǔ)能裝置常常因?yàn)楸旧砣萘康募s束導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的能量狀態(tài)不在自身允許的上下界限內(nèi)，進(jìn)而致使整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行不能長(zhǎng)遠(yuǎn)。在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中，想要使得各單元達(dá)到實(shí)時(shí)功率平衡的目的，避免出現(xiàn)因儲(chǔ)能設(shè)備自身容量限制導(dǎo)致的深度放電或過度放電問題對(duì)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡任務(wù)產(chǎn)生影響，找到一種合理的優(yōu)化調(diào)度對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)而言就顯得異常關(guān)鍵[本章的主要內(nèi)容是基于雙向DC/DC變換器，對(duì)基于儲(chǔ)能設(shè)備荷電狀態(tài)（）的能量管理策略進(jìn)行研究。在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)光伏輸出功率波動(dòng)或負(fù)載功率發(fā)生較大突變時(shí)，通過低通濾波對(duì)蓄電池與超級(jí)電容承擔(dān)的功率進(jìn)行初次分配。由蓄電池承擔(dān)平滑部分，降低了它們?cè)诔潆娧h(huán)的情況下被連續(xù)使用的充電頻率，優(yōu)化充放電過程；由于超級(jí)電容具有大功率、響應(yīng)快等特點(diǎn)，根據(jù)其特性使其負(fù)責(zé)功率波動(dòng)的部分，這種做法還可以有效解決超級(jí)電容容量小的問題。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候，根據(jù)現(xiàn)有的儲(chǔ)能設(shè)備，再次調(diào)整混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配，以避免儲(chǔ)能單元的深度充電和放電?；谠械膬?chǔ)能系統(tǒng)限值管理，著重研究了一種以超級(jí)電容分區(qū)限值為基礎(chǔ)的能量管理策略。最后經(jīng)過仿真檢測(cè)驗(yàn)證了此策略在實(shí)踐中的有效。1.1混合混能系統(tǒng)控制策略1.1.1直流母線電壓控制策略圖1.1為本文研究的光儲(chǔ)直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，且在圖中明確標(biāo)注了正方向?yàn)榱飨蛑绷髂妇€的方向。系統(tǒng)工作在孤島運(yùn)行的狀態(tài)，可以方便我們對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略的研究。圖1.1光儲(chǔ)直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)衡量直流微電網(wǎng)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)是直流母線電壓，是因?yàn)樵谥绷魑㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)中即沒有無功功率的流動(dòng)，也不用控制交流系統(tǒng)中的頻率、相位。只有直流母線電壓穩(wěn)定，才能平衡系統(tǒng)內(nèi)各單元功率。當(dāng)系統(tǒng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)工作的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)各單元的功率關(guān)系為式1.1。Pdc=Ppv式中，udc為直流母線電壓；Pdc為維持母線電壓穩(wěn)定所需功率；Ppv為光伏電池發(fā)出功率；Phess為儲(chǔ)能系統(tǒng)所承擔(dān)功率；Pbat為蓄電池吸收/釋放功率，Pbat>0表示蓄電池放電，Pbat<0表示蓄電池充電；P將直流母線上對(duì)應(yīng)的有效電流表示為：idc=Cdc根據(jù)式(1.2)可得，當(dāng)直流儲(chǔ)能電容放電(idc<0)時(shí)，udc下降；當(dāng)直流儲(chǔ)能電容充電(idc>0)時(shí)，udc上升。圖1.2直流母線電壓控制器首先，直流母線參考電壓udc_ref和實(shí)際的直流母線電壓udc做差，之后再將此誤差信號(hào)經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器得到母線參考電流idc_ref。當(dāng)udc<udc_ref時(shí)，PI調(diào)節(jié)器控制輸出正的idc_ref，此時(shí)對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電；當(dāng)udc>udc_ref時(shí)，PI調(diào)節(jié)器控制輸出負(fù)的1.1.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配本文提出來一種控制策略，可以優(yōu)化整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，具體內(nèi)容是：將低頻和高頻的功率成分分離，控制蓄電池吸收或釋放低頻功率，超級(jí)電容吸收或釋放高頻功率，這可以抑制負(fù)載突變或者光伏發(fā)電量突變對(duì)直流母線造成的沖擊[]。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡和直流母線電壓穩(wěn)定的狀態(tài)，功率分配模塊不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏系統(tǒng)負(fù)載功率和輸出功率的持續(xù)測(cè)量，還可以將儲(chǔ)能系統(tǒng)出力的參考值通過數(shù)據(jù)計(jì)算出來，儲(chǔ)能系統(tǒng)還能夠快速做出反應(yīng)來應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)功率的變化，維持整個(gè)系統(tǒng)的功率平衡。超級(jí)電容與蓄電池承擔(dān)功率分配的時(shí)候需要低通濾波器（LPF）。根據(jù)蓄電池與超級(jí)電容各自的不同功能特性，讓蓄電池承擔(dān)功率變化低頻的部分，超級(jí)電容承擔(dān)高頻功率波動(dòng)的部分。一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：Hs=11+Ts式中，T為濾波器的時(shí)間常數(shù)；s為微分算子。將s=jω代入，得到一階低通濾波器的頻率特性函數(shù)與幅頻特性函數(shù)分別為：Hω=11+jωT|Hω|=11+一階低通濾波器的幅頻特性曲線如圖1.3所示。圖1.3一階低通濾波器幅頻特性由圖1.3的幅頻特性可以看出低通濾波器對(duì)高頻信號(hào)的通過有很強(qiáng)的抑制作用，低頻信號(hào)更容易通過。其中ωc=1T是一階低通濾波器的的截止頻率。當(dāng)濾波時(shí)間常數(shù)T數(shù)值越大，截止頻率隨著減小，也就是允許通過該濾波器根據(jù)直流微電網(wǎng)各單元功率關(guān)系與低通濾波器的原理，蓄電池與超級(jí)電容功率分配如圖1.4所示。圖1.4儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配圖根據(jù)式（1.1）得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)的功率：Phess=Pbat蓄電池承擔(dān)的參考功率就是把混合儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)的功率PhessPbat_ref=11+Ts式中，濾波時(shí)間常數(shù)T可根據(jù)蓄電池需要平抑功率波動(dòng)的頻帶確定。儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率PhessPsc_ref=Phess把蓄電池承擔(dān)功率的參考值Pbat_ref與它的端電壓ubat相比就可以得到蓄電池充放電電流的參考值ibat_ref，同理，利用蓄電池承擔(dān)功率的參考值Pbat_ref和它的充放電電流的參考值isc_ref，也就可以得到超級(jí)電容的充放電電流的參考值ibat_ref，然后1.1.3雙向DC/DC變換器控制策略選擇合理有效的儲(chǔ)能裝置斤進(jìn)行充放電的控制方式，有利于增強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)效率。雙向DC/DC變換器常用基礎(chǔ)控制策略[]為：?jiǎn)苇h(huán)恒流控制與電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制。圖1.5與圖圖1.5恒流控制結(jié)構(gòu)框圖圖1.6電壓電流雙環(huán)控制框圖端電壓的變化在蓄電池處于正常工作狀態(tài)時(shí)是比較慢的，可以通過控制充放電電流的方式控制功率；此外由于開關(guān)管的開關(guān)頻率很高，在一個(gè)周期內(nèi)超級(jí)電容兩端的電壓也基本保持恒定，所以可通過控制超級(jí)電容的的工作電流實(shí)現(xiàn)對(duì)其充放電控制。為了降低整個(gè)工程的難度，將采用恒流控制的方式。因此，結(jié)合課題研究的內(nèi)容選用單電流環(huán)充放電控制方式，以達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率吸收與輸出的目的。利用雙向DC/DC變換器，對(duì)比儲(chǔ)能單元充放電參考電流iref和實(shí)際工作電流i，產(chǎn)生的誤差送入電流PI控制器，同時(shí)需要對(duì)PI控制器的輸出進(jìn)行限幅，限制儲(chǔ)能元件工作電流，以免損壞開關(guān)管。PI控制器輸出值經(jīng)脈寬調(diào)制(PWM)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，控制雙向DC/DC變換器中開關(guān)管T1、T2圖1.7雙向DC/DC變換器控制策略為了有效防止雙向DC/DC橋臂之間的直通，同時(shí)充分考慮到頻繁的操作模式切換會(huì)不利于系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，影響儲(chǔ)能單元的使用壽命。因此采用具有如圖1.8所示特性的比較器來確定儲(chǔ)能裝置的工作方式。其中，iup、i圖1.8工作模式選擇比較器當(dāng)iref<idown時(shí)，要求儲(chǔ)能裝置吸收功率，比較器2輸出邏輯值0，鎖閉開關(guān)管當(dāng)idown當(dāng)iref>iup時(shí)，要求儲(chǔ)能單元放電，比較器1輸出邏輯值0，鎖閉開關(guān)管T1雙向DC/DC變換器工作模式選擇方式與比較器間邏輯關(guān)系如表3-1所示。表3-1雙向DC/DC變換器工作模式選擇方式比較器1輸出邏輯值比較器2輸出邏輯值雙向DC/DC工作模式i10Buck模式i00停機(jī)i01Boost模式1.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)限值管理策略1.2.1傳統(tǒng)限值管理策略蓄電池長(zhǎng)期深度的充電或者放電可能會(huì)對(duì)它們?cè)谡麄€(gè)循環(huán)中的使用壽命產(chǎn)生很大影響，所以我們就需要對(duì)蓄電池中剩余的能量進(jìn)行有效的管理，避免蓄電池長(zhǎng)期過度充電或過度放電。超級(jí)電容的過度充放電也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的問題，因此對(duì)于超級(jí)電容需要尋找一種合理的限值管理方案實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器內(nèi)能量的管理。圖1.9為傳統(tǒng)限值管理辦法。圖1.9傳統(tǒng)限值管理辦法在圖1.9中，左側(cè)表示充電區(qū)，右側(cè)表示放電區(qū)。當(dāng)儲(chǔ)能元件SOC低于最小限值SOCmin時(shí)，儲(chǔ)能元件只充電不放；當(dāng)儲(chǔ)能元件SOC高于最大限值SOCmax時(shí)，儲(chǔ)能元件只放不充。以往采用的限值管理主要是通過約束儲(chǔ)能元件的SOC的上下限，避免儲(chǔ)能元件達(dá)到過充與過放狀態(tài)，達(dá)到延長(zhǎng)儲(chǔ)能元件壽命的目的。1.2.2基于超級(jí)電容SOC分區(qū)限值管理策略超級(jí)電容是一種功率型儲(chǔ)能器件，由于它的儲(chǔ)能容量較低。如果選擇采用之前的限值管理方法，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定度就難以保證，因?yàn)樵谶B續(xù)進(jìn)行充放電的過程中，超級(jí)電容往往總是會(huì)有達(dá)到限制充放電的限值的問題，使得超級(jí)電容投切頻率特別頻繁。因此，考慮到超級(jí)電容的這種特性，對(duì)其在工作過程中進(jìn)行合理的能量管理與限值管理十分必要。本文在傳統(tǒng)限值管理的基礎(chǔ)上，研究了基于超級(jí)電容SOC分區(qū)限值管理策略。根據(jù)低通濾波器的工作原理我們可以知道，濾波時(shí)間常數(shù)T的大小與低通濾波器的通帶密切相關(guān)。當(dāng)濾波時(shí)間常數(shù)越大時(shí)，低通濾波器的通帶就越窄，這將導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率Phess經(jīng)過濾波后得到的蓄電池承擔(dān)功率Pbat_ref越平滑，進(jìn)而致使超級(jí)電容承擔(dān)的功率增加；當(dāng)T越小時(shí)，低通濾波器的通帶就會(huì)越寬，則Phess經(jīng)過濾波后得到的Pbat_ref與Phess越能保持一致性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容承擔(dān)功率減少。綜上可以通過調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)T的大小改變低通濾波器功率分配比例。設(shè)置T0為初始濾波時(shí)間常數(shù)，?T為濾波時(shí)間常數(shù)T的增量，經(jīng)過限值管理后的濾波時(shí)間常數(shù)為圖1.10超級(jí)電容限值管理策略由圖1.10可以看出?T最大變化范圍為Td。SOCsc_high、SOCsc_low根據(jù)圖1.10可得超級(jí)電容器的工作區(qū)域共被劃分為5個(gè)部分，其中實(shí)線部分表示Psc_ref>0即放電狀態(tài)時(shí)?T取值曲線，虛線部分表示Psc_ref（1）放電下限區(qū)：SOCsc<SOCsc_min若Psc_ref?T=Td（若Psc_ref>0，則禁止超級(jí)電容器放電，由蓄電池承擔(dān)Pbat_ref=Phess（2）放電警戒區(qū)：SOCsc_min≤SOCsc若Psc_ref?T=SOCsc?SOCsc_low若Psc_ref?T=?SOCsc?SOC（3）正常工作區(qū)：SOC（4）充電警戒區(qū)：SOCsc_high≤SOCsc若Psc_ref?T=?SOCsc?SOC若Psc_ref?T=SOCsc?SOC（5）充電上限區(qū)：SOCsc若Psc_ref<0Pbat_ref=P若Psc_ref?T=Td（在超級(jí)電容SOC分區(qū)的限值管理和改變傳統(tǒng)分區(qū)利用低通濾波器分配功率的基礎(chǔ)上，增加超級(jí)電容SOC反饋，當(dāng)超級(jí)電容SOC處于不同分區(qū)時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)波T，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池與超級(jí)電容各自承擔(dān)的功率的調(diào)整，其控制結(jié)構(gòu)為圖1.11。為保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少超級(jí)電容在閾值附近工作區(qū)域切換的頻率，在對(duì)分區(qū)進(jìn)行判斷時(shí)采用滯環(huán)比較的方式。圖1.11混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理1.3本章小結(jié)本章的研究重點(diǎn)是一種新的蓄電